基于FPGA的激光器驱动电路的设计

王小雨 党敬民 王一丁

（吉林大学电子科学与工程学院，吉林长春 130012）

0 引言

利用波长调制光谱技术(Wavelength Modulation Spectroscopy, WMS)测量气体浓度，需要使用波长可调谐的激光器，分布反馈式（Distributed Feed Back, DFB）激光器是可选的一种光源[1]。本文介绍了用于波长调制光谱技术的激光器驱动电路的设计。由于波长与驱动电流有确定的依赖关系，研究半导体激光器的电流驱动是很有必要的，本文设计的压控恒流源可实现对激光器的恒流驱动。通过直接频率合成技术（Direct Digital Synthesis,DDS）产生的正弦信号和三角信号可以对激光器的波长进行微调，实现了对DFB半导体激光器的波长调制和波长扫描。

1 利用FPGA实现DDS系统的设计

1.1 基于FPGA技术实现DDS主体部分的设计

图1 DSS基本结构图

DDS是以奈奎斯特采样定理为基础，通过控制相位的增加量，最终合成不同频率的波形信号。由DDS基本原理可知，f=Kf0/2N。其中，f0是系统时钟的频率，N为相位寄存器的字长，K是频率控制字。由此可知，输出频率f的大小由N和K的大小决定。

DSS基本结构框图如图1所示，它包括频率控制字、相位控制字、加法器、寄存器、波形存储器、DAC等模块。本设计以正弦信号产生为例，采用层次结构，使用VHDL语言进行程序编写，并利用A1tera公司的QuartusII软件对各部分模块的代码进行编译和仿真，[2]仿真结果如图2所示。

图2 DDS系统仿真波形图

在本文设计中，为了获得频率为20kHz的正弦信号，相位字pword设为0，这主要为了初始相位为0，相位寄存器设为10位，通过DDS基本原理可知，，频率字fword应设定为65535。从图2可知，输入时钟clk被锁相环分频成频率较低的输出时钟as，最终输出信号的频率fout约为20k Hz，符合最初的设计目标。基于FPGA生成的DDS优点是通过改变波形存储器中数据，可以灵活地生成任意波形。[3]

1.2 DDS系统模块测试

本系统采用A1tera公司CycloneII系列的EP2C8Q208C8N型芯片，总逻辑单元达8256个，I/O引脚为138个，该芯片具有强大的硬件逻辑功能。将DDS信号源设计文件在线编译下到FPGA最小系统板上，再通过DAC转换器，最终得到了输出频率为20k Hz的正弦波形，其用来进行DFB激光器的调制，如图3所示。[4]

图3 正弦波形图

同理, 通过改变.mif文件，在波形存储器中的数据改为三角波的数据，频率控制字设置为65，就可以得到频率为20 Hz的三角波，它将用来对DFB激光器进行扫描，如图4所示。

图4 三角波形图

1.3 加法器电路

DDS产生的两路信号需要加法器进行叠加。加法器的核心器件是运算放大器。本系统采用同向加法电路，如下图5所示。

图5 加法器电路

具体求解过程如下：

由戴维南定理[5]可得

当运算放大器工作于线形区时，由“虚短”和“虚断”的原理[6]可知 ：u2=u3，联立（式 1）和（式 2）可得

2 压控恒流源电路设计

本系统设计了压控恒流源，它主要是利用电压负反馈的原理制作而成的，它由运算放大器OP07 N沟道增强型场效应管、采样电阻和二极管等组成，原理图如图6所示。

图6 压控恒流源电路原理图

根据场效应管的工作原理可知，当该电路正常工作时候，流过激光器的电流Ilaser等于流过电阻R23的电流IR23，即：

为了保证电路在动态的过程中保持激光器电流的稳定性，电容与运放并联，形成积分电路，作用是给予阻尼，防止电路震荡。与激光器并联的反向二极管是起分流作用，防止浪涌击穿激光器，保护激光器。

3 结束语

本文设计了一种半导体激光器驱动电路，重点介绍了利用FPGA实现DDS的方法。利用QuartusII软件进行在线仿真，减少了后期进行综合试验的错误率。在完成系统的核心部分设计之后，对硬件电路的设计进行了详细的讨论，包括加法器和压控恒流源的设计等。该驱动电路全程设计数字化，可以很方便的应用到激光器驱动和气体检测中，具有一定的参考意义。

[1] 沈婷婷，乔川，周曹等.半导体激光器驱动电路设计[J].红外，2008，29（12）：40-42.

[2] 金学哲.直接数字频率合成器(DDS)及其FPGA实现[D].南京：南开大学，2002.

[3] 许文佳.基于FPGA的数字锁相放大器的设计与研究[D].长春：吉林大学大学，2012.

[4] 雷立云.数字式频率合成器的研究与设计[D].湖南：湖南大学，2007.

[5] 李瀚荪.电路分析基础[M].北京：高等教育出版社，2006，5，135-142.